《力的合成》實驗裝置的改進

李寬宏

[摘要]2016年12月第2版普通高中課程實驗教科書物理必修1第三章中《力的合成》這一實驗完成了從驗證性實驗到探究性實驗的質變，在操作上也方便了不少，但仍存在一定的不足。基于此，對《力的合成》的實驗裝置進行改進，以解決相關問題。

[關鍵詞]力的合成 實驗裝置 改進

人民教育出版社2003年6月第一版2005年4月浙江第8次印刷《全日制普通高級中學教科書（必修）物理第一冊》第一章第5節《力的合成》的演示實驗是這樣完成的：“如圖所示，圖甲表示橡皮條GE在兩個力共同作用下，沿著直線GC伸長了EO這樣的長度。圖乙表示撤去F1和F2，用一個力F作用在橡皮條上，使橡皮條沿著相同的直線伸長相同的長度。力F對橡皮條產生的效果跟力F1和F2共同作用的效果相同，所以力F等于F1和F2的合力。在力F1和F2的方向上各作線段OA和OB，根據選定的標度，使它們的長度分別表示F1和F2的大小，如丙圖。以OA和OB為鄰邊作平行四邊形OACB。量出這個平行四邊形的對角線OC的長度，可以看出，根據同樣的標度，合力F的大小和方向可以用對角線OC表示出來。改變力的大小和方向，重做上述實驗，可以得到同樣的結論。”改變力的大小和方向，重做上述實驗，說起來容易，但做起來難。根據筆者的經驗要先確定好0點的位置，再畫出水平線GC并確定中心滑輪的位置，一手握住橡皮條的左端，一手在中心滑輪右側掛5個鉤砝并確定E點和G點的位置，再用數學的方法先確定F1和F2的方向并確定安放上下滑輪的位置。這樣才能符合“3、4、5”的“勾股定理”關系。經全國中小學教材委員會2004年初審通過的2006年12月第2版的普通高中課程實驗教科書物理必修1第三章《4力的合成》中，演示實驗改用兩個彈簧秤來完成，完成了從“驗證性”實驗到“探究性”實驗的質變，在操作性上也方便了不少。但這一改進仍有不足之處，主要有三個方面：①彈簧秤自身重力對實驗有一定的影響；②彈簧秤不便讀數，不適合演示；③需要兩人合作方可順利完成實驗。

筆者利用裝置解決這些問題。此裝置看似與上面的裝置沒多大區別，實則大不相同。首先，滑輪的位置是可以隨便安放而無須預先設定；其次，每個滑輪下面所掛鉤碼個數不必滿足“3、4、5”的特殊關系。

該裝置的優點如下：①可操作性強，一個人即可完成。②可把實驗“數據”長時間定格在學生眼前，便于觀察，使物理“過程和方法”更加生動有趣。③每一根細線下方可掛的鉤碼個數不是事先限定的，在一定的范圍內隨意選取，還可以用不同級別的鉤碼搭配，說明力的合成不限于特定值。④本裝置還可完成實驗：a.通過改變每根細繩下面鉤砝的個數，找到合力與分力的大小關系，合力的范圍是|F1-F2|≤F≤|F1+F2|。b.探究：兩個分力分別是3N和4N，其合力是5N的情況有幾種？左邊一根細繩下掛3個鉤碼，右邊一根細繩下掛4個鉤碼，中間一根細繩下掛5個鉤碼時，不論用手把節點移到什么位置，松手后節點一定會“回”到“原來”的位置重新平衡，說明分力的合成有唯一性。c.當兩邊細繩下掛的鉤碼數不變而中間的細繩下掛的鉤碼數減少時，中間細繩上升，兩邊細繩間的夾角變大，可探究合力大小與分力間夾角的關系。d.將中間鉤碼豎直向下拉一段距離后自由釋放，可觀察到鉤碼上下振動，最高點和最低點都不是平衡位置，上上下下但最高點和最低點的位置卻“從不改變”。可以讓學生初步感受能量守恒。這種上下振動的情境對將來解決類似情況的問題會有很好的啟發作用。

當然，這個裝置也還有不足之處，以兩邊的細繩的拉力作為分力，其合力是與中間鉤碼的重力相平衡的豎直向上的一個力，不能直接顯現。筆者先用兩枚大號的釘子直接釘在黑板上方代替滑輪做這個實驗，但由于阻力太大不能成功；后用初中科學課實驗中的滑輪，較難固定，且阻力也很大。再用鋁合金推拉窗內的滑輪，固定在一塊一米見方的木材上，效果較好，但懸掛困難，鉤砝容易與黑板下方的粉筆槽擦碰，影響實驗演示；最后買來幾個小型帶軸承的專用滑輪固定在方木板上，在方木板背后安上幾只“腳”，使其離黑板平面一定距離且碰不到粉筆槽，從而獲得了較為理想的效果。

在這個實驗裝置的改進中，筆者雖付出了一定的時間和精力，但是能讓課堂更加生動有趣，使學生學習物理的興趣更加高漲，使物理課成為學生的期待，讓學生有一個別樣的“過程與方法”。

（特約編輯 安平）